CN109466338A - 一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法，该方法包括如下步骤：(1)判断车辆运行工况，若为直线行驶工况，则执行步骤(2)，若为前进转向工况，则执行步骤(3)，若为原地转向工况，则执行步骤(4)；(2)以驱动电机总效率最大为优化目标，得到最优分配系数，确定各驱动电机的驱动力矩；(3)以减小车辆侧向阻力矩为优化目标，对各驱动电机力矩分配优先等级进行优化，并根据力矩分配优先等级确定各驱动电机的驱动力矩；(4)以驱动电机总体输出功率最小为优化目标，确定各驱动电机的驱动力矩。与现有技术相比，本发明实现了不同工况下基于能耗优化的电机力矩分配，避免造成单个轮胎的过度磨损。

Description

一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车控制领域，尤其是涉及一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法。

背景技术

对于六轮独立驱动的差动转向车辆，在上层运动跟踪控制模块计算出广义需求横摆力矩及纵向力后，需要将其分配到两侧共六个车轮中，在实践过程中，工程师往往只关注其控制方法是否实现了车辆的动力学功能，但对车辆电机力矩控制分配能耗不甚关注，而由于这方面的欠考虑，容易造成单个轮胎的过度磨损，影响车辆性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法，该方法包括如下步骤：

(1)判断车辆运行工况，若为直线行驶工况，则执行步骤(2)，若为前进转向工况，则执行步骤(3)，若为原地转向工况，则执行步骤(4)；

(2)以驱动电机总效率最大为优化目标，对不同车速以及需求驱动力矩进行离线优化，得到最优分配系数，确定各驱动电机的驱动力矩；

(3)以减小车辆侧向阻力矩为优化目标，对各驱动电机力矩分配优先等级进行优化，并根据力矩分配优先等级确定各驱动电机的驱动力矩；

(4)以驱动电机总体输出功率最小为优化目标，确定各驱动电机的驱动力矩。

步骤(1)车辆运行工况具体判断方式为：

11)若车辆不需要横摆力矩，只需要前进的驱动力矩，则判断为直线行驶工况；

12)若车辆既需要横摆力矩，也需要前进的驱动力矩，则判断为前进转向工况；

13)若车辆只需要横摆力矩，不需要前进的驱动力矩，则判断为原地转向工况。

步骤(2)具体为：

21)确定车辆前轴、中轴、后轴驱动电机的转矩分配系数：

其中，k_i为i轴的驱动电机为转矩分配系数，F_xi为i轴的单轮纵向力，F_xreq为单侧需求纵向力，T_i为i轴单轮轮毂驱动电机的驱动力矩，T_req为单侧需求驱动力矩，i＝f,m,r分别表示前轴、中轴、后轴，k_f+k_m+k_r＝1；

22)根据转矩分配系数确定车辆单侧驱动电机总效率：

其中，η₀为车辆单侧驱动电机总效率，η(T_f,n)、η(T_m,n)、η(T_r,n)分别为前轴、中轴、后轴驱动电机效率，n为驱动电机转速；

23)考虑前轴、中轴、后轴驱动电机转速和输出力矩的约束，以η₀最大为优化目标建立优化目标函数，求解不同车速和需求驱动力矩下的最优转矩分配系数k₁、k₂、k₃，并将最优转矩分配系数分配至前轴、中轴、后轴驱动电机；

24)根据最优转矩分配系数确定各驱动电机的驱动力矩。

前轴、中轴、后轴驱动电机转速约束为：n≤n_max；

前轴、中轴、后轴输出力矩约束为：T_i≤T_max(n)；

其中，n为驱动电机转速，n_max为驱动电机最大转速，T_i为i轴单轮轮毂驱动电机的驱动力矩，T_max(n)为当前转速下驱动电机的最大驱动力矩。

步骤23)中设k₃≤k₂≤k₁，则得到如下约束：

优化目标函数为：

步骤(3)具体为：

31)：确定单轮驱动电机分配的驱动力矩最大值：

其中，T_max′为单轮驱动电机分配的驱动力矩最大值，T_max为驱动电机的最大驱动力矩，T₀为表征限制变化的常参数，K_stable为权重系数，T_req为单侧需求驱动力矩；

32)确定权重系数K_stable：

其中，为纵向车速变化率，为横摆角速度变化率，K_stable′为权重系数限值，a₁、a₂、a₃和a₄为影响程度系数；

33)判断车辆为稳态或非稳态，若为稳态则执行步骤34)，若为非稳态则执行步骤38)；

34)车辆为稳态，此时，T_max′＝T_max，获取临界纵向车速u₀：

其中，a为前车轮两轮中心线和车辆质心的纵向距离，b为中间车轮两轮中心线和车辆质心的纵向距离，c为后车轮两轮中心线和车辆质心的纵向距离，m为车辆质量，k_ym为中间车轮的轮胎侧偏刚度，k_yr为后车轮的轮胎侧偏刚度；

35)设置过渡车速Δu；

36)建立基于车速的电机力矩分配优先等级函数：

其中，k为电机力矩分配优先等级，u为当前车速；

37)根据k的大小对确定前轴、中轴和后轴驱动电机的力矩分配优先等级，并根据力矩分配优先等级对各驱动电机分配驱动力矩，其中，当k＝1时，优先分配中轴，k＝0时，优先分配前轴，k＝0.5时前轴和中轴进行平均分配；

38)对前轴、中轴和后轴驱动电机平均分配驱动力矩。

步骤(4)具体为：向中轴驱动电机分配驱动力矩直至中轴驱动电机力矩饱和，将剩余需求力矩平均分配至前轴和后轴驱动电机。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明针对直线行驶工况、前进转向工况、原地转向工况三种工况分别设计了车辆电机力矩分配的方式，在分配过程进行能耗优化，避免造成单个轮胎的过度磨损，提高了车辆的运行寿命；

(2)本发明根据不同工况的运行特性进行能耗优化，具体地：直线行驶下以驱动电机总效率最大为优化目标对各驱动电机的驱动力矩进行分配，从而减小车辆能耗；前进转向工况下对驱动电机力矩分配优先等级进行优化，从而减小车辆转向所需差动力矩，从而减小能量消耗；原地转向下，向中轴驱动电机分配驱动力矩直至中轴驱动电机力矩饱和，从而使得总体驱动电机的输出功率最小，减少车辆能耗，进而，使得不同工况下在力矩分配的同时能实现最小耗能。

附图说明

图1为本发明六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法的流程框图；

图2为本发明车轮轮毂驱动电机效率特性图，2(a)为驱动电机效率特性三维图，2(b)为驱动电机效率等值线图；

图3为直线行驶工况下平均分配的结果；

图4为直线行驶工况下本发明方法下的分配结果；

图5为本发明前进转向工况下电机力矩分配优先等级函数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1所示，一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法，该方法包括如下步骤：

(1)判断车辆运行工况，若为直线行驶工况，则执行步骤(2)，若为前进转向工况，则执行步骤(3)，若为原地转向工况，则执行步骤(4)；

(2)以驱动电机总效率最大为优化目标，对不同车速以及需求驱动力矩进行离线优化，得到最优分配系数，确定各驱动电机的驱动力矩；

(3)以减小车辆侧向阻力矩为优化目标，对各驱动电机力矩分配优先等级进行优化，并根据力矩分配优先等级确定各驱动电机的驱动力矩；

(4)以驱动电机总体输出功率最小为优化目标，确定各驱动电机的驱动力矩。

步骤(1)车辆运行工况具体判断方式为：

11)若车辆不需要横摆力矩，只需要前进的驱动力矩，则判断为直线行驶工况；

12)若车辆既需要横摆力矩，也需要前进的驱动力矩，则判断为前进转向工况；

13)若车辆只需要横摆力矩，不需要前进的驱动力矩，则判断为原地转向工况。

步骤(2)具体为：

21)确定车辆前轴、中轴、后轴驱动电机的转矩分配系数：

其中，k_i为i轴的驱动电机为转矩分配系数，F_xi为i轴的单轮纵向力，F_xreq为单侧需求纵向力，T_i为i轴单轮轮毂驱动电机的驱动力矩，T_req为单侧需求驱动力矩，i＝f,m,r分别表示前轴、中轴、后轴，k_f+k_m+k_r＝1；

22)结合图2给出的车轮轮毂驱动电机效率特性图，根据转矩分配系数确定车辆单侧驱动电机总效率：

其中，η₀为车辆单侧驱动电机总效率，η(T_f,n)、η(T_m,n)、η(T_r,n)分别为前轴、中轴、后轴驱动电机效率，n为驱动电机转速；

23)考虑前轴、中轴、后轴驱动电机转速和输出力矩的约束，以η₀最大为优化目标建立优化目标函数，求解不同车速和需求驱动力矩下的最优转矩分配系数k₁、k₂、k₃，并将最优转矩分配系数分配至前轴、中轴、后轴驱动电机；

24)根据最优转矩分配系数确定各驱动电机的驱动力矩。

前轴、中轴、后轴驱动电机转速约束为：n≤n_max；

前轴、中轴、后轴输出力矩约束为：T_i≤T_max(n)；

其中，n为驱动电机转速，n_max为驱动电机最大转速，T_i为i轴单轮轮毂驱动电机的驱动力矩，T_max(n)为当前转速下驱动电机的最大驱动力矩。

步骤23)中设k₃≤k₂≤k₁，则得到如下约束：

优化目标函数为：

本实施例中，为了验证分配算法的有效性，对车辆输入如附图3和附图4所示的目标车速，同时将本发明方法的分配结果和平均分配结果进行对比，验证其效果，左右侧电机分配方法完全相同，因此只选取左侧分配结果作分析。图3为直线行驶工况下平均分配结果，图4为直线行驶工况下本发明方法下的分配结果。

如附图3和附图4所示：两种分配方法的总能耗，优化分配为667.5kJ，平均分配为702.2kJ，优化分配方法减小了5％左右的能耗。

步骤(3)具体为：

31)：确定单轮驱动电机分配的驱动力矩最大值：

其中，T_max′为单轮驱动电机分配的驱动力矩最大值，T_max为驱动电机的最大驱动力矩，T₀为表征限制变化的常参数，K_stable为权重系数，T_req为单侧需求驱动力矩；

32)确定权重系数K_stable：

其中，为纵向车速变化率，为横摆角速度变化率，K_stable′为权重系数限值，a₁、a₂、a₃和a₄为影响程度系数，a₁、a₂、a₃和a₄决定了纵向加速度和横摆角加速度对K_stable的影响程度；

33)判断车辆为稳态或非稳态，若为稳态则执行步骤34)，若为非稳态则执行步骤38)；

34)车辆为稳态，此时，T_max′＝T_max，获取临界纵向车速u₀：

其中，a为前车轮两轮中心线和车辆质心的纵向距离，b为中间车轮两轮中心线和车辆质心的纵向距离，c为后车轮两轮中心线和车辆质心的纵向距离，m为车辆质量，k_ym为中间车轮的轮胎侧偏刚度，k_yr为后车轮的轮胎侧偏刚度；

35)设置过渡车速Δu；

36)建立基于车速的电机力矩分配优先等级函数：

其中，k为电机力矩分配优先等级，u为当前车速，电机力矩分配优先等级函数曲线如图5所示；

37)根据k的大小对确定前轴、中轴和后轴驱动电机的力矩分配优先等级，并根据力矩分配优先等级对各驱动电机分配驱动力矩，其中，当k＝1时，优先分配中轴，k＝0时，优先分配前轴，k＝0.5时前轴和中轴进行平均分配；

38)对前轴、中轴和后轴驱动电机平均分配驱动力矩。

根据以上分配方法，在转向盘阶跃输入时对车辆行驶分别做不同车速下的分析，并和平均分配做对比，验证方法的有效性。

输入固定参考纵向车速12m/s，以及阶跃方向盘输入。在前1～2秒，车辆在转向盘角阶跃输入的情况下逐渐稳定到稳态，最终做稳态圆周运动，因此可以同时观察车辆的瞬态响应和稳态时的状态。

本实施例中，得到平均分配结果和本发明能量优化分配结果如表1所示：从表1结果对比来看，本发明方法能够有效降低电机输入功率，达到能量优化的目标。

表1平均分配结果和能耗优化控制分配结果(前进转向工况)

步骤(4)具体为：向中轴驱动电机分配驱动力矩直至中轴驱动电机力矩饱和，将剩余需求力矩平均分配至前轴和后轴驱动电机。本实施例中，得到平均分配结果和本发明能量优化分配结果如表2所示：从表2结果对比来看，本发明能量优化分配结果能够有效降低电机输入功率，达到能量优化的目标。

表2平均分配结果和能耗优化控制分配结果(原地转向工况)

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (7)

1.一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)判断车辆运行工况，若为直线行驶工况，则执行步骤(2)，若为前进转向工况，则执行步骤(3)，若为原地转向工况，则执行步骤(4)；

(2)以驱动电机总效率最大为优化目标，对不同车速以及需求驱动力矩进行离线优化，得到最优分配系数，确定各驱动电机的驱动力矩；

(3)以减小车辆侧向阻力矩为优化目标，对各驱动电机力矩分配优先等级进行优化，并根据力矩分配优先等级确定各驱动电机的驱动力矩；

(4)以驱动电机总体输出功率最小为优化目标，确定各驱动电机的驱动力矩。

2.根据权利要求1所述的一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法，其特征在于，步骤(1)车辆运行工况具体判断方式为：

11)若车辆不需要横摆力矩，只需要前进的驱动力矩，则判断为直线行驶工况；

12)若车辆既需要横摆力矩，也需要前进的驱动力矩，则判断为前进转向工况；

13)若车辆只需要横摆力矩，不需要前进的驱动力矩，则判断为原地转向工况。

3.根据权利要求1所述的一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法，其特征在于，步骤(2)具体为：

21)确定车辆前轴、中轴、后轴驱动电机的转矩分配系数：

其中，k_i为i轴的驱动电机为转矩分配系数，F_xi为i轴的单轮纵向力，F_xreq为单侧需求纵向力，T_i为i轴单轮轮毂驱动电机的驱动力矩，T_req为单侧需求驱动力矩，i＝f,m,r分别表示前轴、中轴、后轴，k_f+k_m+k_r＝1；

22)根据转矩分配系数确定车辆单侧驱动电机总效率：

其中，η₀为车辆单侧驱动电机总效率，η(T_f,n)、η(T_m,n)、η(T_r,n)分别为前轴、中轴、后轴驱动电机效率，n为驱动电机转速；

23)考虑前轴、中轴、后轴驱动电机转速和输出力矩的约束，以η₀最大为优化目标建立优化目标函数，求解不同车速和需求驱动力矩下的最优转矩分配系数k₁、k₂、k₃，并将最优转矩分配系数分配至前轴、中轴、后轴驱动电机；

24)根据最优转矩分配系数确定各驱动电机的驱动力矩。

4.根据权利要求3所述的一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法，其特征在于，

前轴、中轴、后轴驱动电机转速约束为：n≤n_max；

前轴、中轴、后轴输出力矩约束为：T_i≤T_max(n)；

其中，n为驱动电机转速，n_max为驱动电机最大转速，T_i为i轴单轮轮毂驱动电机的驱动力矩，T_max(n)为当前转速下驱动电机的最大驱动力矩。

5.根据权利要求4所述的一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法，其特征在于，步骤23)中设k₃≤k₂≤k₁，则得到如下约束：

优化目标函数为：

6.根据权利要求1所述的一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法，其特征在于，步骤(3)具体为：

31)：确定单轮驱动电机分配的驱动力矩最大值：

其中，T_max′为单轮驱动电机分配的驱动力矩最大值，T_max为驱动电机的最大驱动力矩，T₀为表征限制变化的常参数，K_stable为权重系数，T_req为单侧需求驱动力矩；

32)确定权重系数K_stable：

其中，为纵向车速变化率，为横摆角速度变化率，K_stable′为权重系数限值，a₁、a₂、a₃和a₄为影响程度系数；

33)判断车辆为稳态或非稳态，若为稳态则执行步骤34)，若为非稳态则执行步骤38)；

34)车辆为稳态，此时，T_max′＝T_max，获取临界纵向车速u₀：

其中，a为前车轮两轮中心线和车辆质心的纵向距离，b为中间车轮两轮中心线和车辆质心的纵向距离，c为后车轮两轮中心线和车辆质心的纵向距离，m为车辆质量，k_ym为中间车轮的轮胎侧偏刚度，k_yr为后车轮的轮胎侧偏刚度；

35)设置过渡车速Δu；

36)建立基于车速的电机力矩分配优先等级函数：

其中，k为电机力矩分配优先等级，u为当前车速；

37)根据k的大小对确定前轴、中轴和后轴驱动电机的力矩分配优先等级，并根据力矩分配优先等级对各驱动电机分配驱动力矩，其中，当k＝1时，优先分配中轴，k＝0时，优先分配前轴，k＝0.5时前轴和中轴进行平均分配；

38)对前轴、中轴和后轴驱动电机平均分配驱动力矩。

7.根据权利要求1所述的一种六轮独立驱动车辆的电机力矩能耗优化控制分配方法，其特征在于，步骤(4)具体为：向中轴驱动电机分配驱动力矩直至中轴驱动电机力矩饱和，将剩余需求力矩平均分配至前轴和后轴驱动电机。